祖厉河河源区径流、泥沙对气候的响应研究

吕明侠，王一博，吴川东，白 炜

(1.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省定西水文水资源勘测局，甘肃 定西 743000；3.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 研究背景

干旱半干旱地区属于气候和生态系统脆弱地区[1]，同时该地区流域生态水文过程受气候和人类活动的影响加剧[2]。随着全球气候变化的加剧和区域扩展，干旱半干旱地区的气温显现出明显的升高[3-5]，尤其在黄土高原西部的半干旱区表现更为突出。冉津江[6]的研究表明，自1960年以来干旱半干旱区的气温升高速率为(0.35±0.094)℃/10a，并且呈现出时空差异明显的特点。毛翠翠等[7]指出，在20世纪70年代后期气温上升更为明显，尤其在冬季[8-11]，上升变化率达0.44℃/10a[12]。在全球气候变化影响下，近地表温度及水汽交换频率发生变化，改变了空气湿度，间接影响了降水及地表的产汇流等水文过程的时空变化，从而影响水文循环强度[13]，水文循环过程的变化对区域气候的改变有一定的促进作用，使得气候变化与水文过程的相互作用密不可分[14]。黄河上游主要属于干旱半干旱地区，气候变化比较强烈，水文过程在一定程度上受其影响发生变化[15]。近几十年来，黄河流域的流域水文过程已经发生了变化[16-17]，黄河上游的来水主要是一级支流汇集，但各支流所处地理位置、区域气候要素及下垫面条件有所不同，导致各一级支流水文过程的变化也不尽相同[18-23]。

水文循环过程对气候变化非常敏感[24-25]。在全球气候变化背景下祖厉河流域的降水、径流及河道输沙等过程出现了明显的变化。近年来有学者对祖厉河流域水文过程的影响因素及变化特征已经开展了初步研究[26-28]，这些研究基本都是利用统计分析方法对水文过程单方面要素进行研究。针对气候变化与下垫面条件改变对祖厉河河源区小流域水文过程变化影响的研究较少。在全球气候变化背景下对祖厉河流域水文过程变化与气候要素变化之间的相互关系研究非常有意义，开展祖厉河流域源区的气候变化和水文效应研究，能够揭示在河源区小流域范围内气候因素变化对水文过程影响的机理，对认识干旱半干旱区典型流域水文过程及水资源分布对气候变化的响应有一定的科学价值和指导作用，为开展流域水文过程变化研究提供资料和方法。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区概况

祖厉河流域源起通渭县华家岭，于白银靖远终入黄河。流域内气候干旱，年均气温6.4～8.8℃，降水贫乏、蒸发强烈，平均每年降水仅约300 mm，而蒸发量每年约1 559.3～1 660.6 mm。

选取祖厉河上游会宁站以上祖厉河上游的河源区为研究区，南源厉河和东源祖河两条河流于会宁县城西汇合，区域面积为990 km2，厉河和祖河河长分别为36、33 km，河流补给来源主要为降水。多年平均气温7.8℃，多年平均降水399.6 mm，主要农业生产过程为雨养农业，灌溉少，近几年研究区开展了坡地整治工程，修建了大量的梯田地。

2.2 资料来源

本文研究资料主要有1980-2016年祖厉河上游中川、党家岘、太平店、会宁雨量站及会宁水文站的水面蒸发、径流、输沙的实际水文观测资料，以及1990-2016年会宁气象站气温资料。

2.3 研究方法

本文采用传统的水文统计学方法对气候变化下的水文要素及其相关关系进行分析，同时对其变化过程进行M-K检验[29]。

(1) M-K趋势检验

(1)

(2) M-K非参数检验统计量Z

(2)

式中：S为正态分布，其均值为0，方差为n(n-1)(2n+5)/18；sign()为符号函数，Xi,Xj为以i，j为序列号独立同分布的随机样本，样本总量n；Z为M-K非参数检验统计量，在给定的双边趋势检验置信水平α,有|Z|≥Z1-α/2,则通过了1-α/2的显著性检验。

(3) 非参数M-K突变检验

(3)

(4)

(j=1,2,…,i;k=1,2,…,n)

(5)

(6)

(1≤k≤n)

(7)

式中：Sk为第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累积数；E(Sk)为均值,Var(Sk)为方差；UFk为Sk的标准化统计量，若|UFk|≥Ua，则表明数据序列的变化趋势显著；UBk为逆序统计量，曲线的交点为突变点。

3 结果与分析

根据研究区范围内1990-2016年的实测气温资料和1980-2016年的实测蒸发、降水、径流及输沙量资料进行多年平均值计算并进行M-K突变检验分析。

3.1 气温变化

1990-2016年研究区年均气温变化过程及M-K突变检验分析结果见图1和表1。

对图1及表1中研究区气温及其变化过程进行分析可知，研究区内1990-2016年多年平均气温为7.8℃，年平均最高气温出现在2016年为9.3℃，在1992年气温年平均最低6.5℃，最高最低气温相差2.8℃的幅度变化，气温Z值为2.681(表1)，显著性检验程度极强，表明气温以显著的趋势增加；1990年以来祖厉河上游河源区的气候变暖加快，气温变化率达0.75℃/10a(图1(a))，大于1970-2010祖厉河流域上升速率0.57℃/10a[25]，表明研究区从20世纪90年代以来升温尤其明显；UF值在1992和1993年为负数，其他年份均为正(图1(b))，1998年后通过了95%的显著性检验，说明气温在1992-1993年降低，而1990-1991，1994-2016年表现为暖化上升，以1997年为界，暖化过程明显，1997年为祖厉河上游河源区气温突变年。

3.2 蒸发量与降水量变化

1980-2016年研究区年均蒸发量和降水量变化过程及其M-K突变检验结果分别见图2、3和表1。

图1 1990-2016年研究区年均气温变化过程及M-K突变检验

表1 水文要素变化Mann-Kendall检验表

注：(1)气温为1990-2016年平均值；(2)*、**、***表示其显著性检验结果分别为较强、强、极强。

图2 1980-2016年研究区年均蒸发量变化过程及M-K突变检验

分析图2及表1可知，研究区蒸发能力强，多年平均值为1 453.3 mm，年最大、最小蒸发量分别为1 744.3 mm(2000年)和951.6 mm(1981年)，变化幅度达到972.7 mm，Z值为1.295(表1)，通过了90%的显著性检验，未通过95%的显著性检验，说明蒸发量增加趋势显著性较强，增加速率为34.8 mm/10a(图2(a))；1980-1994年UF值呈正负波动变化，但均未通过95%显著性检验(图2(b))，1995年后，UF值稳定为正，其中1999-2009年通过了95%的显著性检验，说明1980-1994年蒸发量变化趋势不稳定，1995年后蒸发量呈稳定增加趋势，其中1999-2009年间蒸发量显著增加。根据M-K检验图，经分析，研究区的蒸发量发生突变时间较气候变化早，在1988年附近。蒸发是大气圈和岩石圈连接的纽带，还受其他因素的影响。

由图3及表1分析结果表明，位于西北半干旱地区的祖厉河河源区，降水量少，近40年来，降水量年均值为399.6 mm，年最大、最小值分别为583、229.1 mm，出现时间分别为2003、1982年，年最大、最小降水量相差353.9 mm，年际变幅大，CV值为0.17，Z值为-0.43(表1)，显著性检验程度不明显，其减少变化不显著；流域内1980-2016年降水量减小速率为1.3 mm/10a(图3(a))，波动明显，1980-2016年间降水高峰值频繁发生，1984年530.9 mm，1990年518.0 mm，2003年583.0 mm，2013年490.6 mm，波动低峰值出现频率较低。研究区内1980-1994年降水量UF值大于0(1982年小于0)，1995-2016年UF值小于0(2007、2008、2014年大于0)，并且均未通过99%的显著性检验(图3(b))，说明1980-1994年降水总体呈增加趋势(1982年略有减少)，1995-2016年呈减少趋势(2007、2008、2014年略有增加)，但变化趋势不显著。根据UF曲线与UB曲线交点出现年份，在1994、2003、2008、2011年均存在突变。因为1995年前后降水均呈稳定不显著的增加减少趋势，只有个别年份不一致变化导致2003、2008、2011年突变点的出现，改变研究时段进行M-K突变检验杂点剔除，得出祖厉河上游河源区突变时间为1994年，与祖厉河全流域降水突变时间1995年[23]基本一致。

3.3 径流量与输沙量变化

1980-2016年会宁站年径流量和输沙量的变化过程及其M-K突变检验分析结果分别见图4、5和表1。

图3 1980-2016年研究区年降水量变化过程及M-K突变检验

图4 1980-2016年会宁站年径流量变化过程及M-K突变检验

图5 1980-2016年会宁站年输沙量变化过程及M-K突变检验

图4及表1的分析结果显示，祖厉河上游区径流较小，1990年以来河道时常断流。多年平均径流量仅800×104m3，最大、最小分别为2150×104m3和30×104m3，分别出现于1980、2016年，河道径流流量幅度明显减小，1996年以前，祖厉河河源区河道径流量年际变化幅度较大，变化周期相对较长，1996年以后河道径流量年际变幅明显减小(图4(a))。近40年径流量变化的CV值为0.62，反映年际变幅大，Z值为-4.66(表1)，说明河源区河道径流量减少趋势极显著；1980-2016年径流量UF值小于0，且1996年后为强显著性变化(图4(b))，说明河道来水量减少，速率为3.2×104m3/10a，且这种趋势主要发生于1997-2016年，1997年开始发生突变，比祖厉河全流域径流突变时间1995年[23]延迟。

图5及表1的分析结果表明，研究区水土流失比较严重，河流含沙量大。多年平均值达233.9×104t，年最大、最小值分别为676×104t(1995年)和1.3×104t(2016年)，年际之间输沙量变幅大，CV值为0.72，Z值为-4.54(表1)，通过了99%的显著性检验，说明祖厉河上游河源区输沙逐年减少趋势显著；除1985和1992年UF值大于0，1980-2016年其余年份UF值均小于0，减少趋势在2005年之前不明显，之后逐渐显著，到2010年后极为显著，说明1985年和1992年输沙量略有增加；1980-2016年以100×104t/10a的速率减少的变化过程，1980-2004年这种变化的趋势不明显，2005-2016年变化趋势显著，2010年开始变化极为显著，在2008年发生突变，较径流突变时间有所推迟，表明泥沙变化不仅仅由径流的变化引起，还与其他因素有关。主要是因为多年来在祖厉河河源区开展了淤地坝建设和退耕还林为目的的植树造林等水土防护治理工程，流域下垫面条件逐步发生变化，有效减小了坡面侵蚀，对区域水土流失的防治成效显著，地表径流含沙量逐年降低，使得泥沙突变年份延迟。

4 讨 论

4.1 气温、降水及蒸发变化分析

从研究结果分析，祖厉河上游河源区气温自20世纪80年代以来升温明显，升温的速率为0.75℃/10a，高于黄河上游流域气温0.6℃/10a的变化速率，1997年发生突变，与整个黄河上游区发生突变的时间基本一致[30]，说明祖厉河源区的气温变化总的趋势与整个黄河上游流域的变化一致。但研究区属于典型黄土沟壑丘陵区，气候变化在总体上升的同时有局部的波动[31-32]，这种波动是研究区地理和地貌及植被生态等要素共同作用的结果[33-34]。这样的波动性变化对区域水文要素有明显的影响。研究区下垫面土壤为沙壤土，植被主要为雨养农业，生态活动单一，系统脆弱，对气温变化的敏感性较为强烈，具有典型的区域代表性。该区域的水文要素受气候要素的胁迫作用非常强烈，降水和蒸发是干旱区关键的水文要素，通过对研究区近40年的蒸发资料研究表明，蒸发量变化过程在1995年前变化不稳定，1995年后趋于稳定，在1988年附近发生突变，与气温变化不一致，说明区域内蒸发不仅与气温有关，同时还受饱和水汽压、风速、周围植被生态及人类活动等其他因素影响[35]；研究区的降水在研究时段出现了波动增加和减少的过程，1994年发生突变与祖厉河全流域变化过程[23]略有差异，但发生突变时间一致，且比1993年黄河上游降水突变有所滞后[36]，研究区位于祖厉河源区，受华家岭局部小气候条件的影响，降水变化具有区域差异性[37]，减少趋势有所推迟，祖厉河流域的暖干化过程受其影响也有所延迟。气象要素变化趋势及突变与祖厉河流域、黄河上游变化一致，但降水略有滞后，表明研究区小流域气候变化是祖厉河以及黄河上游气候变化的一部分，小尺度上很好地反映了气候变化的总体趋势，但受局部小流域气候的影响小流域水文循环过程发生异质性改变，水文要素变化表现出地区差异性。

干旱区下垫面结构单一，区域生态系统脆弱，生态水文过程对全球气候变化极其敏感，全球气温上升，引起区域水量平衡发生改变，导致以研究区为代表的河源区水文循环过程发生变化，水资源量及时空分布严重失衡，已有大量研究表明未来气温将继续升高[38-39]，而降水减少的区域降水仍然继续减少[40-41]，干旱继续突显，这将会严重影响当地水资源量的分配格局，可能引起当地生产过程和生态环境的改变。

在全球气候变化过程中，应对干旱区水资源供需矛盾的工程措施只能延缓气候变化和进行微弱的时空调整，并不能逆转水资源短缺的现实。而小流域气候和生态环境变化又影响降水、蒸发等水文过程[42]，由于气候变化导致的降雨量不断减少和蒸发逐渐增加的现象将会加速该流域的水文循环过程的变化，影响流域水循环和生态系统安全。河源区小流域的气候变化随着区域扩展构成了流域、全球范围的气候变化，加强小流域气候变化对水文循环的影响研究在很大程度上能有效预测未来短期、长期时间尺度及空间尺度上流域、全球的气候变化趋势[43]，为人类寻求有效防护措施提供依据。

4.2 降水、径流、输沙相关性及关系变化分析

根据研究区内1980-2016年降水、径流和输沙量分析研究区的降水量与河道径流量之间以及河道径流量与输沙量之间的变化关系，结果如图6所示。图6表明，降水量、径流量及输沙量之间的变化有明显的相关性。

河道泥沙含量变化与下垫面及人类活动有关[44]，同时也与水文要素有关[45]。由图6结果分析，祖厉河上游河源区为黄土沟壑区，且植被盖度较低，当地的主要生产为传统的雨养农业，暴雨型降雨导致土壤侵蚀严重，是祖厉河泥沙的主要形成区；径流量-输沙量的线性相关性(图6(c))高于降水量-径流量(图6(a))，两者皮尔逊相关系数r分别为0.93和0.41，说明研究区泥沙的决定因素为径流量，其他因素的作用非常微弱，而径流量除受降水的主要影响外，降水的时空分布及下垫面的不同特征也发挥着重要作用[46]。生态系统脆弱的西北半干旱区的区域水文过程受气候变暖和人类活动的影响强烈，一方面，由于气候变化引起的降水及其时空差异使河道径流相对区域降水的突变时间滞后[47]，由此，在祖历河上游源区出现了1994年降水的突变引起了1997年径流发生突变[48]，这就导致了双累积曲线(图6(b)、6(d))图中降水量-径流量、径流量-输沙量关系于1997年发生一致变化，即气候变化是引起降水、径流、泥沙及其相关关系变化的根本原因；另一方面，下垫面植被的种类及分布的区域差异在很大程度上影响了径流与泥沙变化的不同步[49]，随着20世纪80年代以来大量退耕还林(草)、“121”雨水截留等水土保持工程的实施，有效改善了当地的生态环境，产汇流过程受其影响而有所改变，水力侵蚀减弱，河道泥沙流失减少，使得泥沙在2008年发生突变，气候和地表生态的水文效应明显[2]，说明人类活动改变了区域内下垫面条件，造成了2008年泥沙及径流-泥沙关系的变化。

图6 1980-2016年研究区内降水-径流、径流-泥沙相关关系及双累积曲线图

5 结 论

祖厉河上游河源区流域水文过程受气候变化响应强烈，对降水、蒸发、径流、泥沙等关键水文要素都产生了影响。通过对关键水文过程对气候的响应进行分析，可以得出以下结论：

(1)祖厉河上游自20世纪80年代以来区域性气候变暖明显，气温显著升高，1990-2016年上升速率为0.75℃/10a，1997年发生突变。自1995年以来，祖厉河上游河源区的降水量逐渐减少，1980-2016年变化率为1.3 mm/10a，并且在1994年出现了突变，同时蒸发则持续增加，变化率为34.8 mm/10a，祖厉河上游河源区的河道径流量逐渐减少，自2000年开始出现了持续干涸现象。

(2)1980-2016年，研究区的河道径流量和输沙量在气候变化影响下显著减少，变化率分别为3.2×104m3/10a、100×104t/10a。1997年径流的突变和降水量-径流量、径流量-输沙量关系的变化是对气候变化响应的结果，而人类保护自然环境采取工程措施，通过改善祖厉河源区小流域下垫面条件，降低了区域土壤侵蚀，引起2008年泥沙减少的突变和径流量-输沙量关系发生关变化。